Demonstrating High Transformer Ratio Beam-Driven Plasma Wakefield Acceleration

Abstract

In this work, plasma wakefield acceleration with high transformer ratios, i.e. high ratios between acceleration of witness particles to deceleration of driver particles, is investigated experimentally. Particle-beam-driven plasma wakefield acceleration (PWFA) is one of the prime candidates for future compact accelerator technologies. In this scheme, a high-brightness driver particle bunch enters a plasma and initiates oscillations of plasma electrons by expelling them from their equilibrium positions. Particles trailing the driver bunch can be accelerated in the electric field between regions of negative and positive charge excess formed in this oscillation. Acceleration gradients of up to several tens of GV/m have been demonstrated in experiment, exceeding the gradients of conventional technology by orders of magnitude. PWFA could thus allow to accordingly shrink the size of an accelerator, possibly reducing size and cost of an accelerator facility significantly. One key aspect of a PWFA is the ratio between acceleration gradient behind the driver and deceleration gradient inside the driver bunch. This so-called transformer ratio defines the maximum acceleration achievable for a given driver energy and is closely connected to the achievable efficiency. In linear wakefield theory the transformer ratio is limited to 2 for longitudinally symmetric driver bunches, which typically emerge from conventional accelerators. One proposed method to achieve high transformer ratios (HTR) exceeding this limit is to employ driver bunches with lengths of multiple plasma skin depths and sawtooth-like, "triangular" current profiles. Due to the complexity of shaping such bunches and beam-plasma instabilities that can inhibit stable acceleration, HTRs had thus far not been achieved in PWFA. In the course of the present work, the driving of HTR PWFA has been accomplished at the Photo-Injector Test facility at DESY in Zeuthen (PITZ). Existing bunch shaping capabilities at PITZ, based on photocathode laser pulse shaping, were extended to the production of HTR-capable driver bunches. An argon gas discharge plasma cell was built and optimised for providing the plasma acceleration medium for the PITZ electron beam parameters. A novel plasma density measurement method based on the self-modulation of long electron bunches was developed and validated, which enabled determination of plasma densities not accessible with established methods. Following these preparations, a transformer ratio of 4.6 +2.2/-0.7 was observed experimentally and reproduced in numerical simulations.

In dieser Arbeit wird die Beschleunigung von Elektronen in teilchenstrahlgetriebenen Plasmawellen (engl. plasma wakefield acceleration, PWFA) mit hohem Transformationsverhältnis, also hohem Verhältnis von Beschleunigung des Nutzstrahls zu Abbremsung des Treiberstrahls, experimentell untersucht. PWFA ist eine der vielversprechendsten Technologien für zukünftige, kompakte Teilchenbeschleuniger. Hierbei erzeugt ein relativistisches Treiber-Teilchenpaket mit hoher Ladungsdichte bei Eintritt in das Plasma-Beschleunigungsmedium eine Oszillation der Plasmaelektronen. Zwischen den Bereichen mit positivem und negativem Ladungsüberschuss, die in diesen Oszillationen erzeugt werden, bestehen elektrische Felder, in denen nachfolgende (Nutz-)Teilchen beschleunigt werden können. Beschleunigungsfelder von mehreren 10 GV/m wurden experimentell nachgewiesen, was die Felder in konventionellen Beschleunigern um mehrere Größenordnungen übertrifft. Dies würde es erlauben die Beschleunigungsstrecke, die für eine bestimmte Endenergie des Nutzstrahls benötigt wird, und damit auch die Maße und Kosten einer Beschleunigeranlage, signifikant zu reduzieren. Einer der wichtigsten Parameter von PWFA ist das Verhältnis von Beschleunigung des Nutzstrahls zu Abbremsung des Treiberstrahls. Dieses sogenannte Transformationsverhältnis bestimmt den maximalen Energiegewinn eines Nutzstrahls für gegebene Treiberstrahlenergien. Für konventionelle, longitudinal symmetrische Treiberstrahlen ist das Transformationsverhältnis in linearen Plasmawellen auf 2 begrenzt. Eine Methode um hohe Transformationsverhältnisse, also Werte über 2, zu erreichen besteht darin Treiberpakete mit einem dreieckförmigen Stromverlauf zu verwenden. Aufgrund der schwierigen Erzeugung derartiger Teilchenpakete und der Instabilitäten, denen sie beim Treiben von Plasmawellen unterliegen, konnten bisher keine hohen Transformationsverhältnisse experimentell nachgewiesen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Möglichkeiten zur Formung von Elektronenpaketen am Photoinjektor Teststand am DESY Standort Zeuthen (PITZ) auf die Erzeugung von dreieckförmigen Treiberpaketen erweitert. Eine Gasentladungsplasmazelle, die Beschleunigungsmedien für die Elektronenstrahlparameter von PITZ bereitstellt wurde entwickelt und optimiert. Basierend auf der Selbstmodulation langer Elektronenpakete in Plasmen wurde eine Methode zur Bestimmung der Plasmadichte in der Zelle entwickelt, welche die Messung von Dichten außerhalb des Messbereichs etablierter Methoden ermöglichte. Anschließend konnten erstmalig Plasmawellen mit einem Transformationsverhältnis von 4,6 +2,2/-0,7 experimentell gemessen und in numerischen Simulationen reproduziert werden.